真空计量的若干进展弟 9 苷弟 3 朋真空计量的若干进展李得天兰州物理研究所，甘肃兰州 730000 到分压力测量与校准气体微流量漏率测量与校准。描述了这 3 个方面的最新进展，从中可看出真空计量学的现状与发展趋势。1 引言真空计量学不仅是真空科学的重要组成部分，而且也己发展成为计量学的个新的独立分支。国际上些重要的国家级计量研究机构都建立有真空计量研究鼠如美国国家标准技术研究院肌 31德国联邦物理技术研究院，18 英国国家物理实验室，等，以专门从事真空计量研究。我国的真空计量研宄主要集中在国家计量科学研宄院 1 河和兰州物理研究所，国防科工委真空计量级站建在兰州物理研究所。真空计量学需要解决真空应用中的真空测量和校准问，随着真空应用领域的不断拓宽，对真空计量的需求和要求越来越高。同时也促进真中汁量学的发展，目前，讧中汁量学的研允领域不限传统 1 的真空度全压力测量与校准，还包括分压力测量与校准气体微流量或漏率测量与校准。本文作者将从这 3 个方面对近年来，空计量的闱新进展做简要介绍。2 真空度全压力测量与校准 2.1 真空度全压力测量电离型真空规广泛应用于至最低所能达到的压力范围的测量。电离规有 2 种类型，即热阴极电离规和冷阴极电离规。电离规作为参考标准或副标准时，稳定性尤为重要。热阴极电离规的灵敏度会因许多厌揠乘顿撼巧概偷愚娜嫩咖咖毗卿原因随时间变化，这些原因包括阴极温度变化阴极上电子发射分布改变收集极和栅极面性能改变阴极和栅极畸变以及电极电位的漂移等。近年来热阴极电离规的主要进展在于提高稳定性和重复性，特别是 8 人规的稳定性和重复性，通过计算机模拟电子和离子的轨迹发现，在 84 规中，离子的产额和收集效率对电极艺，研制出的新型 8 人规其稳定性和重复性比传统人规高得多 13.早期的冷阴极电离规的缺点是非线性不稳定性抽速大电噪声大低压力下放电困难存在电流压力特七 1 挪涟续性以及介质极化和；屯等，故+能用于粘确测量。但经过多年的研究和改进，现代反磁控规的性能有了很大提高 147，比如它的稳定性和抽气效应可与热阴极电离规相比拟；通过采用弱放射源人 41 电离规存在的许多缺点，而且由于出气率极低，射线和 50 效应小等，在很低压力下具有独特的优势。尽管现代反磁控规在电流丑力特性的非连续性方面有了明显改进，但完全消除电流压力特性的非连续性仍然是反磁控规设计者他临的项挑战性工作。反磁拉规的杂，磁场比较！著，应用反磁控规的特殊场合，它会对邻近的电子设备或磁存储设备造成影响。为了解决这个问，最近几年出现了另外 2 种反磁控规构，种是 1.。等 1 的，州内部的磁场类似反磁控规 1 构；4 种由，1 诚付规并联作，闪此称为双反磁，这 2 种规矜外 2 个磁体的磁场趋于利互抵消，规矜外的杂散磁场有儿个 1041 如果采用简单的屏蔽套可进步将杂散磁场降低到地磁场的水平。近年来还在冷阴极电离规小型化方血取 1.了可喜进城 1 小型反磁空规内部体枳只有 515 双反磁控规内部体枳仅 1.5 冷阴极电离规小型化后，与尺寸减小有关的任何性能损失都可通过适当，加磁场强度和工作电压以及注意内部磁场的均匀性得到补偿。磁悬浮转子规件，和电容薄膜规，分别是高低真空范围内普遍采用的参考标准，由于其优良子离子热和辐射产生，测量时不改变气体成分和压力，规壳体积小仅几毫升，吸放气现象可以忽略，无抽气效应，这些！优点使磁浮转子规获得越来越多的应用。尽符51；是种高梢度真空测量规，但近年来匹配使叫虽然 5 只，转户工作的频率范旧很窄 410，415，似；的零点值随频率变化明显。因此，为了对测量结果进行精确的修正，应实时监测零点值的变化；转子烘烤后，切向动量传递系数将发生明显改变，所以，使用应保持转子的烘烤条件 1 另隹，致；在 16，40，范经烘烤和未经烘烤的 5 其传递系数随温度的相付变化率在，4，44，之间因此，在般实验审温度范内 233 温度对传递系数的影响可以忽略，但如果使用温度与校准温度相差很大，应考虑温度的修正。对于，其传感器通常恒温在451 左右，这样大大改善了零点稳定性，但热流逸效应在压力低于1 时引起测量的非线性。早期己有人对这种现象进行过研究，有各种经验公式可以参考。近年又有人对，的热流逸效应进行了深入研究给出了热流逸效应修正因子与归化压力的通用达式，通过己知的2 个气体参数，即气体简化热流逸效应修正因子的计算。近年来，微电子机械系统 1 肘 3 刖。1.，加殪 1.315；1 在以空传感挤领域。长足发展 1 阶是微屯子技术与机械光学领域纟 1 治而产 1 通，是 20 世纪 90 年代初兴起的技术，圮微电户技术应用的又次革命性突破。利用河 3 制作微机械真空传感器的主要原理有压阻式和压容式。压阻式真空传感器成本较低，但精度差点。用硅微机械加工技术制作的黏滞型谐振真空计就是种压阻式真空传感器，谐振真空传感器在静电力驱动下振动，振动信号由压阻器件输出，它具有体积小巧加工精度高反应快可靠性强耐氧化成本低廉易于大批量生产等优点，测量范围为 1.333；在最近的低真空范围的国际比对中，还采用这种类型的真空规作为传递标准。压容式真空传感器有较高的灵敏度，但为了得到大的电容值其极板各间的间隙主往非常小，导致动态范围很窄，较难满足使用的要求。力平衡压容式真空传感器可以通过施加在力平衡电极，的静电力来平衡压力对微结构玎动部分的作用力，工作时可使微结构的可动部分始化处在平衡位置，因此克服了吒界式戊空传感器存的动态范围窄的缺点，具就态范围等优点，是种性能优越的真空传感器，其应用领域不断拓宽，以力平衡方式工作的传感器在加速度和微机械陀螺等领域己得到了成功的应用。采用，+硅自停止腐蚀技术和硅玻璃键合技术制作的真空传感器就是种力平衡压容式真空传感器，这种技术可以精确控制应变膜的厚度和制造出微米级厚的应变膜，因此传感器有非常高的灵敏度，达到，76 0 左右。为了使传感器的参考腔有高的真空度，使用了非蒸散性吸气剂来吸附参考腔中的残余气体，取得了非常好的效果。由于传感器可以以力平衡模式工作，因此不仅提高了传感器的精度，还拓宽了传感器的动态范围。另外，高灵敏度压力传感器在军事上还有其特殊的应用场合，因而使这种传感器成为重要的军用电子器件，近年来提出的场发射压力传感器便是其中较有发展前途极高真空，技术研究，在 20 世纪 6070 年代曾在许多国家出现研宄热潮，但在 80 年代逐渐走向低潮。而在日本工业界和学术界，基于面向 21 世纪真空的战略构想，从 1988 年把，技术列为国家重点研宄项，投入了人量经费和人力，分和，测量 2 个方面进行。纟织了公司研究所火 7 等多方而力沾联合攻志在促进，1 的实化，经过 10 多年的研宄，日本在技术领域，得举肚瞩目的重大成就。限制，测量的下限因素主要包括，射线效应电子激励脱附 50 效应和热阴极出气效应，日本的 14 则量主货被力厂降低以效应研宄 1417.场致发射冷阴极弯注规山场致发射冷阴极离子产生器离子偏转器及离子收集极 4 部分组成，由于采用冷阴极而消除了高温热阴极效应，采用256.4 的离子偏转器，能有效分开气相离子和 30 离子，大大降低 30离子噪声，另外也使收集极免受父射线照射，大大减小，射线效应，规管的，射线本底压力及 3，离子本底压力降至 103 量级，采用通道倍，器提高了离子检测灵敏度，当测量 0；1 压力时，只需 0.01认的发射电流。球栅型离子谱规将环形灯丝发射的电子射球形栅网内，球心附近形成负空间电荷，电离产生的离子也聚集在球中心附近，闪此可使气相电离离子处于球中央负电位处与 3，离子栅极面产生的离子之间的能量差达 30，而在般 84 规中两者的能量差仅为5，7，这大的能量差更有利于分离开两类离子，从球栅空间拉出的离子进入个由 2 个同心半球组成的偏转系统，偏转 180 后到达收集极，偏转系统可以维聚焦，是具有高分辨率了，射线效应，此规可测 10123 的极高真空。贝塞尔盒能量分析器规由阴极栅极贝塞尔盒离子能量过滤器及离子收集极 4 部分组成，其阴极和栅极类似 84 规，热阴极置于栅网外，与圆筒形栅网的轴线垂直，收集极由次电子倍，器组成；贝塞尔盒离子能量过滤器由中间有孔的圆盘状引出极圆筒状壁电极和中央圆片形电极组成；贝塞尔盒能量分析器规的栅极没有端栅网，经实验证明可以更有效地过滤掉 30 离子，其测量下限为5 父 10.日本口人，炯河斜慈，心芰糠治銎鞴娴牟，烦鍪郏，庖彩悄壳安饬肯孪，最低的商品化极高真空规。激光电离规，原理比较新颖，在真空内部没有产生离子的电极系统，也就取消了热阴极，而是叱这空室外束激光迪过窗口肘入，空宁 1 屯离产卞光离子，因此也就没 31 效应，通过检测光离，数目或光离子电流，可以计兑出相应的气体分广密度，以到相应的气体压力戍分味力。由般激光所发出光子的能量小于真空中气体分子的电离能，因此必须采用多光子电离技术，即使用 2 个或 2 个以上的光子，当它们的能量之和不小于气体分子的第电离能时，才可能使气体分子发生电高激光电离测量方法作为种新型的真空测量方法，由于其良好的测量特性和测量精度，在超高真空和极高真空领域将具旬广阔的应用前尕。在我国 20 世纪 80 年代，兰州物理研究所真空计量级站研制了弯注型电离规光电子流降至 1015 入以下，可以测量 10；1 的极高真空。在兰州物理研究所研制的用分子沉技术获得极高真空装置中，采用了裸弯注规，并将弯注极由板状改为金丝网状，大大减低了光电子流，稳定地测量了 4 的极高真空度。近年也有人从事，1 测量研宄，研制出了种，1 测量规 19，该规是在较早的鞍场规基础上发展而成，这种规电极尺寸小吸放气率低信噪比高，压力测量范围为4，1；在典型工作参数下规管的灵敏度为 6 是 8 人规和分离规灵敏度的 80 倍。2.2 真空度全压力校准真空，隹是真空测童的基硕，也足研究和友展空淑量的有力工具。对相对真空规的校准，可采用与绝对真空规直接比对的方法来进行，可靠的绝对真空规有精密 1 形压力计精密活塞压力计和压缩式真空规等，用直接比对法进行校准的压力区间仅为 105，1 为了扩展校准压力的下限，己发展了许多不同类型的真空规校准装置，最典型的有静态膨胀法和动态流量法真空规校准装置。目前，在从大气压到 1 压力范围内，己经有了各种类型的绝对真空规和真空规校准装置，并在大气压到 7 压力范围内进行了各种双边和多边国际比对，取得了较好的致性。在 8，压力范围内还没有进行过任何比对，因此，要达到真空量值的国际统，还有大量工作要做。在，瓜则要工，私都违立了各类真宁标牝真空标准的原理趋于成队性能趋干稳定，主要工作是不断进行深入研究，进步减小标准的测量不确定度。在我国，早期的真空标准多为玻璃装置，20 世纪 90 年代以兰州物理研允所为代的新代金属真空。标准相继研制成功，代早期的玻璃真空标准，真空标准的性能也有了进步提高。典型的真空标准包括静态膨胀法真空校准装置动态流量法超高真空校准装置和全金属程控式真空规校准装置。新代静态膨胀法真空校准装置 2 充分考虑各种不确定度的影响因素，并将它们控制在合理的范围内。该装置可以采用多种方法对电容薄膜规和磁悬浮转子规进行校准，这些方法包括级膨胀法级膨胀法级膨胀法和与石英规直接比对法，校准范围为 105，104；不确定度为。1.00，新代动态流量法超高真空校准装置山校准系统恒压式气体微流试抽气系统和计算机控制系统组成 21.在理论分析和计算机模拟计算的基础上，校准系统采用了球结构，校准球礼该校准装置也是目前国，上唯台严格按际。标准设的动态流量法真空校准装置。为满足工业部门付讧中校准的，求。兰州物理研允所还研制令金属程控式讧空规校准装置口，该装置位括 3 种校准方法，即动态直接比对法静态膨胀法和静态直接比对法，可完成 4，5 范围内的校准，不确定度不大于 5.用户可根据实际应用选择不同的参考标准和校准方法，但不改变装置的基本结构。该校准装置可由计算机对校准全过程实行自动控制，并具有保护报警语音提等功能，是种非常适合于日常校准用的实爪